tool variably saturated flow comprehensive … barry... · 22 with comprehensive geochemical...

32
Simulation Tool for Variably Saturated Flow with Comprehensive Geochemical Reactions in Two and ThreeDimensional Domains L. Wissmeier*, D.A. Barry Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Laboratoire de Technologie Ecologique Station 2, CH1015 Lausanne, Switzerland Resubmitted on 17 August 2010 to Environmental Modelling & Software Author to whom all correspondence should be addressed. Telephone: +41 21 693 5727, facsimile: +41 21 693 8035 Email addresses: [email protected] (L. Wissmeier), [email protected] (D.A. Barry)

Upload: truongdat

Post on 30-Jun-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

 

 

Simulation Tool for Variably Saturated Flow 

with Comprehensive Geochemical Reactions in 

Two­ and Three­Dimensional Domains 

 

 

 

 

L. Wissmeier*, D.A. Barry 

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) 

Laboratoire de Technologie Ecologique 

Station 2, CH‐1015 Lausanne, Switzerland 

 

 

Resubmitted on 17 August 2010 to Environmental Modelling & Software 

 

 

 Author to whom all correspondence should be addressed. Telephone: +41 21 693 5727, facsimile: +41 21 693 8035 

E‐mail addresses: [email protected] (L. Wissmeier), [email protected] (D.A. Barry)

Page 2: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

Abstract 1 

We present a software tool for simulations of flow and multi‐component solute transport in 2 

two and three‐dimensional domains in combination with comprehensive intra‐phase and 3 

inter‐phase geochemistry. The software uses IPhreeqc as a reaction engine to the multi‐4 

purpose, multidimensional finite element solver COMSOL Multiphysics® for flow and 5 

transport simulations. Here we used COMSOL to solve Richards’ equation for aqueous phase 6 

flow in variably saturated porous media. The coupling procedure presented is in principle 7 

applicable to any simulation of aqueous phase flow and solute transport in COMSOL. The 8 

coupling with IPhreeqc gives major advantages over COMSOL’s built‐in reaction capabilities, 9 

i.e., the soil solution is speciated from its element composition according to thermodynamic 10 

mass action equations with ion activity corrections. State‐of‐the‐art adsorption models such 11 

as surface complexation with diffuse double layer calculations are accessible. In addition, 12 

IPhreeqc provides a framework to integrate user‐defined kinetic reactions with possible 13 

dependencies on solution speciation (i.e., pH, saturation indices, and ion activities), allowing 14 

for modelling of microbially mediated reactions. Extensive compilations of geochemical 15 

reactions and their parameterization are accessible through associated databases. 16 

Keywords 17 

Geochemistry, Reaction, PHREEQC, IPhreeqc, Richards’ Equation, Unsaturated Flow, 18 

COMSOL, Solute Transport 19 

Research highlights 20 

Coupling of COMSOL and PHREEQC  facilitates simulation of variably saturated  flow 21 

with comprehensive geochemical reactions. 22 

The use of finite elements allows for the simulation of flow and solute transport  in 23 

complex 2 and 3D domains. 24 

Geochemical reactions are coupled via sequential non‐iterative operator splitting. 25 

The  software  tool  provides  novel  capabilities  for  investigations  of  contaminant 26 

behaviour in variably saturated porous media and agricultural management. 27 

Page 3: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

Software requirements 28 

COMSOL Multiphysics® including Earth Science Module (tested version: 3.5a; due to a 29 memory leak in versions 4.0 and 4.0a, these are not suitable for the presented coupling) 30 Price for single user academic license including Earth Science Module ca. 2000 € 31 

Matlab® (tested versions: 7.9, 7.10) 32 Price for single user academic license including Parallel Computing Toolbox ca. 650 € 33 

IPhreeqc (COM‐version, available free of charge at 34 http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/) 35 

The coupling files together with animations of the presented simulations are available at 36 http://infoscience.epfl.ch/record/143469 (link: download fulltext)   37 

Page 4: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

1 Introduction 38 

Computer simulations of water availability and quality play an important role in state‐of‐39 

the‐art water resources management and agriculture (Barry, 1992; Šimůnek and Bradford, 40 

2008). Due to the importance of the unsaturated zone as the major life‐supporting 41 

ecosystem on land (Brussaard et al., 2007), there is a great demand for understanding and 42 

predicting the complex interactions between highly non‐linear vadose zone flow and bio‐43 

geochemical reactions (Wissmeier et al., 2009). However, many of the most utilized 44 

software programs focus either on physical flow and transport phenomena (e.g., MODFLOW 45 

(Harbaugh et al., 2000), SUTRA (Voss and Provost, 2008), HYDRUS (Šimůnek et al., 2009)), or 46 

on geochemical reactions (e.g., MINTEQ (Gustafsson, 2010), CHESS (van der Lee, 1998), 47 

ORCHESTRA (Meeussen, 2003)). Saturated flow codes have been coupled with geochemical 48 

reaction packages to produce combined water flow, multispecies transport and complex 49 

geochemical reactions (e.g., PHT3D (Prommer et al., 1999), DART (Freedman and Ibaraki, 50 

2002), PHAST (Parkhurst et al., 2004), PHWAT (Mao et al., 2006). In recent years, simulation 51 

tools for unsaturated porous media flow with detailed geochemistry have emerged (HP1 52 

(Šimůnek et al., 2009), RICH‐PHREEQ (Wissmeier and Barry, 2010)). Although powerful tools, 53 

the applicability of the aforementioned unsaturated flow/transport/reaction models is 54 

restricted to systems with one‐dimensional movement of water and solutes.  55 

The coupling of COMSOL (COMSOL Multiphysics®, 2010) and IPhreeqc (Charlton and 56 

Parkhurst, 2010) presented here extends the capabilities of these models by combining 57 

unsaturated porous media flow in two and three dimensions with comprehensive 58 

geochemical reactions. IPhreeqc is a version of PHREEQC (Parkhurst and Appelo, 1999) that 59 

is specifically designed for coupling to multicomponent transport simulators. While it retains 60 

all of PHREEQC’s reaction capabilities, IPhreeqc provides additional methods for data 61 

manipulation and communication to the host application. The coupled model’s main 62 

features are listed below. 63 

Unsaturated Flow: 64 

Constitutive  relations according  to van Genuchten  (1980), Brooks and Corey  (1964) or 65 

user‐defined 66 

Anisotropic unsaturated conductivity 67 

Page 5: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

Specific storage according to fluid compressibility or user‐defined storability function 68 

Fluid  density,  viscosity  and  liquid  source  term  through  user‐defined  expressions with 69 

possible dependencies on COMSOL variables 70 

Multispecies Solute Transport: 71 

Dispersivity in directions parallel and orthogonal to flow 72 

Tortuosity according to Millington and Quirk (1961) or user‐defined 73 

Species independent coefficient of molecular diffusion and dispersivities 74 

Liquid source concentrations and solute sources through user‐defined expressions with 75 

possible dependencies on COMSOL variables 76 

Geochemical Reactions: 77 

Equilibrium solution speciation and redox reactions 78 

Equilibrium mineral dissolution/precipitation 79 

Ion exchange on permanently charged adsorption sites 80 

Surface adsorption according  to  the diffuse double  layer model  (Dzombak and Morel, 81 

1990) or the CD_MUSIC model (Hiemstra et al., 1989) with or without explicit calculation 82 

of the diffuse double layer composition 83 

Kinetic reactions according to user‐defined rate equations, with possible dependencies 84 

on solution speciation, temperature or moisture content 85 

Gas phase exchange 86 

Solid solutions 87 

A considerable advantage of the coupling results from the flexibility of COMSOL to define 88 

any input parameter as a function of internal variables. For example, root water uptake, 89 

entered as a negative liquid sources term, can be defined by a function of space coordinates 90 

and liquid phase pressure head. In addition, IPhreeqc’s capabilities to integrate user‐defined 91 

rate expressions allows for the simulation of complex time‐dependent geochemical 92 

reactions with explicit dependencies on solution speciation (e.g., ion activities, pH, mineral 93 

saturation). With these capabilities, the presented model is significantly more 94 

comprehensive than existing codes in the field of unsaturated reactive transport modelling, 95 

such as MIN3P (Mayer et al., 2002) and RETRASO (Saaltink et al., 2004). The model setup is 96 

Page 6: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

greatly facilitated by graphical user interfaces for flow and transport (COMSOL) and 97 

reactions (PHREEQC). 98 

This paper is organized as follows. Section 2 briefly describes the underlying theory of 99 

component‐based phase flow, section 3 illustrates the coupling procedure, and sections 4 100 

and 5 provide application examples for kinetic pesticide degradation and fertigation via a 101 

subsoil drip irrigation system (files for these cases are available for download). 102 

2 Theory 103 

In the presented scheme, the classical advection diffusion/dispersion equation was used for 104 

multi‐component solute transport (Bear, 1972, 2007; Bear and Bachmat, 1998), 105 

θ· · θ ,  (1) 

where θ is the relative liquid phase saturation (m3 m‐3),   (kg m3) is the concentration of 106 

solution species  ,   (m s‐1) is the Darcy flux and   (m2 s‐1) is the hydrodynamic dispersion 107 

tensor. 108 

Recognizing that the liquid phase is composed of solution species according to 109 

θ∑

ρ,  (2) 

where   (mol m3) is the moles of solution species   in a control volume with a molar weight 110 

 (kg mol‐1), the application of Eq. (1) to all solution species in the liquid phase effectively 111 

yields phase mass balance according to 112 

ρθ· ρθ ,  (3) 

where   is the barycentric mass flow velocity of the liquid phase (Corey and Auvermann, 113 

2003). This implies that the net mass flux induced by diffusion/dispersion (Letey et al., 1969) 114 

can be neglected , which is a common assumption (Jacques and Šimůnek, 2010; Miller et al., 115 

1998; Šimůnek et al., 2006; Šimůnek et al., 2009). 116 

Page 7: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

In the presented scheme, the Darcy flux  θ (m s‐1) in is computed from Richards’ 117 

equation according to 118 

ρρ ,  (4) 

(e.g., Bear, 1972, 2007), where   is the unsaturated hydraulic conductivity tensor (m s‐1),   119 

is the fluid pressure (kg m‐1 s‐2) and   is the magnitude of gravitational acceleration (m s‐2). 120 

The other major part of the model concerns geochemical reactions (including biological 121 

reactions modelled using a geochemical approach). Thorough descriptions of the models for 122 

this part are available in textbooks (Appelo and Postma, 2005; Langmuir, 1997) and the 123 

PHREEQC manual (Parkhurst and Appelo, 1999). 124 

3 Coupling procedure 125 

In the discretized time domain of the numerical model, the three simultaneous and 126 

dependent processes flow, solute transport and reaction are separated using a non‐iterative 127 

sequential split‐operator approach where   is the length of the coupling time step. The 128 

coupling time step is further reduced within the iterative schemes for unsaturated flow, 129 

solute transport and geochemical speciation as required by the respective algorithms. As 130 

result of the decoupling, concentrations are assumed independent of reactions in solute 131 

transport computations. As well, the liquid phase saturation and density are similarly 132 

assumed independent of concentrations and reactions during flow calculations. During the 133 

geochemical reaction step (performed within IPhreeqc), the solution composition is 134 

assumed independent of both flow and transport. The influence of reaction kinetics, grid 135 

size and splitting time step on the introduced splitting error in unsaturated flow situations 136 

was investigated by Jacques et al. (2006). General discussions on operator splitting are 137 

provided by Yeh and Tripathi (1989), Valocchi and Malmstead (1992) and Barry et al. (2000; 138 

1996; 1997), among others. 139 

Fig. 1. Program flow and structure. 140 

Fig. 1 illustrates the program structure for the coupling of COMSOL and IPhreeqc using 141 

Matlab (Matlab®, 2010) as the controlling application and interface for the COMSOL and 142 

IPhreeqc modules (grey shaded, dashed boxes). The code is organized in three major m‐files 143 

Page 8: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

(black textboxes in Fig. 1). At the beginning of the simulation, the controlling script 144 

coupling_COMSOL_PHREEQC.m runs subscripts to configure the simulation domain with 145 

flow and transport properties, initializes COMSOL and IPhreeqc computations and specifies 146 

boundary conditions. Geochemical properties such as pH and redox potential (pe) are 147 

extremely sensitive to the total element concentrations. Minimal deviations of the ratio of 148 

oxygen to hydrogen from the stoichiometric ratio of 1:2 in the simulation of pure water will 149 

dramatically affect the pe, for example. Precise concentration values for initial and 150 

boundary conditions in COMSOL are thus conveniently determined by preliminary PHREEQC 151 

speciation calculations.  152 

After the initialization procedure, computations enter the iteration loop of the split 153 

operator, where COMSOL and IPhreeqc procedures alternate for the calculation of flow, 154 

transport and reactions. Data from the output of one procedure is passed back to the 155 

Matlab workspace and reformatted for the following procedure using the functions 156 

phreeqc2comsol and comsol2phreeqc. For the computation of aqueous phase flow in 157 

COMSOL, fluid pressures are calculated from the output of the preceding reaction step 158 

(mass of solution in control volume, solution density, pressure‐saturation relation). Darcy 159 

flux velocities from flow calculations together with master species concentrations from the 160 

reaction step are input into the COMSOL solute transport routine (Eq. (1)). The use of 161 

master species instead of solution species considerably reduces the degrees of freedom in 162 

transport calculations and therefore the numerical burden (Steefel and MacQuarrie, 1996). 163 

However, it impedes the simulation of species‐dependent diffusion. The comsol2phreeqc‐164 

function retrieves the results from COMSOL as a vector of all degrees of freedom (fluid 165 

pressure and element concentrations) at all nodes in the domain. The vector is reformatted 166 

as a numeric Matlab array. Master species concentrations from transport calculations are 167 

multiplied by moisture contents from flow calculations. This yields the aqueous phase 168 

composition at each node in terms of moles of master species per control volume. In the 169 

IPhreeqc reaction step, each node in the simulation domain is represented by a single batch 170 

reactor that contains physical amounts (moles) of solution elements, minerals, gases and 171 

adsorption sites. Since only the liquid phase composition is altered through flow and 172 

transport, comsol2phreeqc only updates the solution composition using IPhreeqc's method 173 

SOLUTION_MODIFY. From the ensemble of elements, the aqueous solution is speciated, and 174 

Page 9: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

mineral reactions, surface adsorption/desorption reaction and kinetic reactions are 175 

computed. After the IPhreeqc reaction procedure, flow and transport calculations in 176 

COMSOL are reinitialized with the updated values of moisture content and master species 177 

concentrations using the phreeqc2comsol‐function. Results, which are passed back from 178 

IPhreeqc to the Matlab workspace as a cell array, are reshaped as a vector with the same 179 

structure of the COMSOL solution vector. COMSOL’s asseminit‐function is used to create 180 

valid initial conditions for flow and transport calculations in COMSOL. 181 

All primary master species in the liquid phase (including elemental oxygen and hydrogen) 182 

must be included in solute transport calculations in order to represent flow by the transport 183 

of liquid phase components. This approach has been applied in previous couplings of 184 

geochemistry in PHREEQC with unsaturated flow and transport calculations (Jacques et al., 185 

2008; Wissmeier and Barry, 2010). Charge imbalance, present in initial and boundary 186 

solutions or developing during reactions (e.g., surface adsorption without explicit calculation 187 

of the diffuse layer composition) (Parkhurst, 2010), is treated as an extra solution 188 

component in transport calculations. It is also included in speciation calculations in order to 189 

accurately reproduce pH and pe. 190 

During the conversion from units relative to an arbitrary control volume in COMSOL (e.g., 191 

m3 m‐3 for θ) to physical quantities in IPhreeqc, the size of the batch reactors is taken as one 192 

litre for convenience. Thus, solid phase properties in IPhreeqc, such as the moles of 193 

adsorption sites and mineral phases have to be understood as per litre of unsaturated zone 194 

volume (soil including pore space). Without further modifications, solid phase properties are 195 

independent of water contents, i.e., the moles of mineral phases or exchange sites in 196 

contact with the unsaturated soil solution do not change due to changes in moisture 197 

contents.  198 

Negative master species concentrations may result from oscillatory behaviour of COMSOL’s 199 

finite element scheme for solute transport in the vicinity of sharp concentration gradients. 200 

The performance index, defined as the product of the grid Péclet number and the Courant 201 

number, can be used as an indicator of oscillatory transport behaviour (Huyakorn and 202 

Pinder, 1983; Perrochet and Berod, 1993; Šimůnek et al., 2009). Since IPhreeqc defines the 203 

solution composition in terms of moles of elements, negative concentrations from the 204 

Page 10: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

10 

COMSOL‐procedure are set to zero during reaction calculations. After the reaction step, 205 

negative concentrations from the previous flow/transport step in COMSOL are summed to 206 

the master species concentrations that are output of IPhreeqc. The summation of negative 207 

concentrations from transport simulations to the results from reaction calculations avoids 208 

significant mass balance errors that would otherwise result from the repeated adjustment 209 

of negative output from COMSOL to zero. This procedure remedies mass balance errors. 210 

Nevertheless, it is recommended to avoid oscillations in solute transport through 211 

appropriate domain discretisation (Donea and Huerta, 2004; Perrochet and Berod, 1993). 212 

For accurate transport of pH in unbuffered solutions, the relative tolerance of the solute 213 

transport scheme in COMSOL is set to 10‐10. In order to decrease the absolute tolerance for 214 

oxygen and hydrogen, their nominal concentrations in COMSOL are reduced by their molal 215 

concentrations in pure water (55.50621679636 molO/kgwater and 111.0124335927 216 

molH/kgwater, respectively). Even with this high accuracy, calculations of the redox potential 217 

(pe) in unbuffered solutions may not give reliable results and should be examined carefully. 218 

Equilibration with atmospheric O2 stabilizes otherwise unbuffered solutions und should 219 

therefore be considered if applicable (Parkhurst and Appelo, 1999). 220 

The COM‐version of IPhreeqc (Charlton and Parkhurst, 2010) that is utilized in the presented 221 

coupling has a number of features that greatly simplify data handling: 222 

Reaction  calculations  can  be  entirely  controlled  from  within  Matlab  by  passing 223 

commands strings to the COM object. 224 

Changes in the reaction system due to transport of aqueous elements are considered by 225 

modifying the moles of elements in solution. 226 

No cumbersome writing/reading of  files  is necessary  in order  to pass  results  from  the 227 

reaction module  to  the  flow/transport module  and  vice  versa.  Data  transfer  via  the 228 

Matlab workspace is processed entirely in memory. 229 

The status of the entire geochemical system, including all exchangers, surfaces, kinetics 230 

phases, mineral and gas phases,  is automatically saved by the COM object  in between 231 

calls. 232 

As result of persistence of the geochemical properties in the COM object, the coupling 233 

procedure only needs to manage solution elements. This not only decreases programming 234 

Page 11: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

11 

effort and increases coupling efficiency but also eliminates the need for user‐defined 235 

definitions of all possible exchange and surface species, as is found in earlier couplings 236 

involving PHREEQC (Prommer et al., 2003). 237 

4 Verification example: Pesticide degradation 238 

This application example reproduces the simulation of kinetic pesticide degradation in 239 

COMSOL’s model library (COMSOL Multiphysics®, 2008b) using IPhreeqc instead of 240 

COMSOL’s Reaction Engineer Lab® to simulate the reaction chain. According to 241 

COMSOL Multiphysics® (2008b), the simulation is inspired by but does not exactly duplicate 242 

the application example no. 7 of the software packages SWMS‐2D (Šimůnek et al., 1994) and 243 

HYDRUS‐2D (Šimůnek et al., 1999). Because of the identical treatment of unsaturated flow 244 

and solute transport, the application example can be regarded as a verification of the 245 

coupling procedure. 246 

Fig. 2. Simulation domain with finite element mesh for pesticide simulation. The source zone is indicated by the thick 247 line at y = 0. 248 

The radially symmetric simulation domain with 4401 nodes and 26406 degrees of freedom is 249 

displayed in Fig. 2. The pesticide Aldicarb enters the dry soil via constant flux infiltration at 250 

the top boundary in the region y = 0 m, 0 m ≤ r ≤ 0.2 m. The soil is divided into two 251 

subdomains with different hydraulic properties, i.e., higher conductivity and lower saturated 252 

water content below y = ‐0.4 m. The initial hydraulic head   (m) of the simulation domain is 253 

given by the expression 254 

1.2 m , 0.4 ,1.2 1.6 m , 0.4 .

  (5) 

Transformations between Aldicarb and its breakdown products are governed by first‐order 255 

rates according to Eqs. (6‐11), where   denotes moles of the chemical in the control 256 

volume (mol m‐3),   are reaction constants (s‐1),   denote total molal concentrations 257 

(mol kgwater‐1) and   stands for the kilograms of water in the control volume (kg m‐3).  258 

Aldicarb (a):  aa a ;  (6) 

Page 12: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

12 

Aldicarb Oxime (ao):  aoa ;  (7) 

Aldicarb Sulfoxide (asx):  asxa asx asx ;  (8) 

Aldicarb Sulfoxide Oxime (asxo):  asxoasx ;  (9) 

Aldicarb Sulfone (asn):  asnasn asn ;  (10) 

Aldicarb Sulfone Oxime (asno):  asnoasn .  (11) 

The reaction chain together with first‐order rate constants is displayed schematically in Fig. 259 

3. 260 

Fig. 3. Aldicarb reaction chain. 261 

To be consistent with the COMSOL example, it is necessary to prevent unwanted 262 

geochemical transformations. Therefore, Aldicarb and its daughter products were 263 

introduced into IPhreeqc as separate uncharged solution master species with no reactions 264 

apart from the transformations listed in Fig. 3. Further details of the breakdown process and 265 

the COMSOL solution are available in the COMSOL model library documentation 266 

(COMSOL Multiphysics®, 2008a). The coupling time step Δ  was set to 0.1 d. 267 

Fig. 4. Comparison of concentrations from the coupling procedure and COMSOL alone eight d after beginning of 268 infiltration. 269 

In order to verify the coupling procedure, moisture content and concentrations were 270 

compared along the centre line (r = 0) with results from COMSOL alone (Fig. 4). Moisture 271 

contents from the coupled simulation (COMSOL+IPhreeqc) and the global implicit method in 272 

COMSOL (COMSOL) are visually indistinguishable. Small differences in chemical 273 

concentrations can be fully attributed to the splitting error, whose magnitude decreases 274 

linearly with Δ . If negative concentrations from the previous transport step are not 275 

summed to the concentrations after transport, as described in section 3, an obvious mass 276 

balance error with overestimation of all pesticide species is produced. Thus, the results 277 

prove the accuracy of the coupling procedure and particularly the successful suppression of 278 

significant mass balance errors that would result from the uncompensated adjustment of 279 

concentrations to positive values during reaction calculations. 280 

Page 13: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

13 

5 Application example: Drip irrigation and fertigation 281 

This example, reported by Hanson et al. (2006), simulates the fertigation of a tomato 282 

plantation using a subsoil micro‐irrigation system with periodic input of water and fertilizer 283 

solution. The simulation of flow and transport was reproduced in COMSOL using the same 284 

domain properties and parameters as in Hanson et al. (2006), who applied HYDRUS‐2D 285 

(Šimůnek et al., 1999). In contrast to Hanson et al. (2006), however, we implemented a 286 

detailed description of geochemical through the coupling to IPhreeqc. This included solution 287 

speciation with ion activity correction, kinetic redox transformations and cation exchange. 288 

In agreement with Hanson et al. (2006), root water uptake was simulated using the spatial 289 

root distribution model of Vrugt et al. (2001) in combination with the water stress response 290 

function of Feddes et al. (1978). The model was implemented through the Matlab function 291 

root_uptake.m, which is called from COMSOL at runtime (details on root water uptake are 292 

given by Šimůnek and Hopmans, 2009; Šimůnek et al., 1999). 293 

Fig. 5. Simulation domain with finite element mesh for drip irrigation simulation. 294 

The simulation domain with 2665 nodes and 23985 degrees of freedom is displayed in Fig. 5. 295 

It represents a 2D slice of the soil system with axial symmetry along the left boundary. 296 

Solutes and irrigation water enter the soil through the small half circle at x = 0 m, y = ‐0.2 m 297 

that represents the irrigation pipe with a diameter of 0.02 m. Irrigation imposes a constant 298 

flux for 1.15 d intermittent with no flow periods of 2.35 d. The fertilizer enters the domain 299 

for 0.575 d via a constant concentration boundary beginning 0.2875 d after start of 300 

irrigation periods. Details of the flow and solute transport properties are given by Hanson et 301 

al. (2006) and Gärdenäs et al. (2005) (simulation SUBTAPE, fertigation scenario M50). 302 

Master species concentrations in the inflowing fertilizer solution were calculated by reacting 303 

0.1449 mol KH2PO4, 0.0362 mol NH4NO3 [AmmHNO3] and 0.0725 mol (NH2)2CO [Urea] with 304 

1 kg of pure water. In order to prevent instantaneous hydrolysis and nitrification, urea 305 

(Urea) and ammonia (Amm) were defined as separate solution master species in IPhreeqc. 306 

In addition, the fertilizer solution and the fertilizer‐free irrigation water were equilibrated 307 

with atmospheric CO2 (10‐3.5atm) and O2 (10

‐0.7 atm). The initial soil solution was assumed in 308 

equilibrium with atmospheric O2 (10‐0.7 atm) and with CO2 from root respiration at a partial 309 

pressure 10‐1.5 atm. The latter value was chosen in agreement with the expected high actual 310 

evaporation (~1200 mm yr‐1) for an irrigated tomato plantation in California, USA (Hanson et 311 

Page 14: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

14 

al., 2006) according to Brook et al. (1983). Properties of inflowing and initial solutions are 312 

summarized in Table 1. 313 

Table 1 314 Geochemical solution properties. Master species concentrations in mol kgwater

‐1, truncated to 2 digits. 315 

Equilibrium solution speciation was defined as given in the thermodynamic database 316 

phreeqc.dat, which is distributed with IPhreeqc. In order to suppress denitrification as in 317 

Hanson et al. (2006), the equilibrium constant for the reaction 2NO 12H 10e N318 

6H O  was set to 10‐1000. Kinetic hydrolysis of urea was simulated according to the reaction  319 

Urea H O 2Amm CO ,  (12)

with the first‐order rate expression   (mol s‐1 m‐3) (Hanson et al., 2006), 320 

hyd hyd Urea ,  (13) 

where  hyd is the reaction constant taken as ‐0.35 d‐1 and  Urea is the molal urea 321 

concentration. For the kinetic nitrification of ammonium to nitrate, we used the reaction 322 

formula 323 

AmmH 2O NO 2H H O,   (14)

with the rate, 324 

nit nit Amm O 0

O 0 .  (15) 

The reaction constant  nit was set to ‐0.2 d‐1. In Eq. (15),  Amm and  O 0  are the molal 325 

concentrations of ammonium and zero‐valent oxygen, respectively, and  O 0  is the 326 

concentration of zero‐valent oxygen in the initial solution (5.11 × 10‐4 mol kgwater‐1). The last 327 

term in Eq. (15) was introduced as an additional factor to the rate expression of Hanson et 328 

al. (2006). Its purpose is to simulate free oxygen as a rate‐limiting redox partner for the 329 

kinetic oxidation of ammonium to nitrate. 330 

In contrast to Hanson et al. (2006), who used a simple linear isotherm for ammonium 331 

adsorption, we simulated adsorption of aqueous cations on negatively charged surfaces as a 332 

cation exchange process (Appelo and Postma, 2005). Besides potassium and ammonium, 333 

Page 15: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

15 

free protons (H+) are included in the competition for the exchange sites in order to consider 334 

the pH dependence of cation exchange and to be consistent with the conceptualization of 335 

plant nutrient uptake via proton exchange (Hedrich and Schroeder, 1989). The cation 336 

exchange capacity was taken as 150 meq lsoil‐1, which is a reasonable value for loam 337 

(Yukselen and Kaya, 2006). Exchange reaction formulas and ion affinities with suggested 338 

values for proton exchange were those included in the database phreeqc.dat. The split‐339 

operator time step Δ  for the alternation between transport and reactions calculations was 340 

set to 0.01 d. 341 

Fig. 6. Normalized root distribution according to the Vrugt model (Vrugt et al., 2001) with parameters from Hanson et al. 342 (2006). 343 

Fig. 6 displays the normalized root distribution function used to describe water and solute 344 

losses due to plant water uptake. As required by the Vrugt model (Vrugt et al., 2001), the 345 

normalized root distribution integrates to unity over the simulation domain. Clearly visible 346 

in Fig. 7 is the decrease of root density at depths y < ‐0.2 m, which is determined by the 347 

parameter   in Hanson et al. (2006). 348 

Fig. 7. Moisture contents at 0 and 1.15 d, i.e., the beginning and end of the first irrigation period; white contours: lines of 349 equal water contents. 350 

The successful re‐simulation of moisture dynamics was verified by visually comparing 351 

moisture contents at the beginning and end of the first irrigation period with results 352 

presented in Gärdenäs et al. (2005) and Hanson et al. (2006) (To follow this comparison the 353 

reader is referred to the original references). The comparison reveals small discrepancies in 354 

the dry part of the domain and along the right no‐flow boundary, which can be attributed to 355 

different domain discretizations and tolerance settings in the numerical methods. 356 

Fig. 8. Solution master species concentrations 3.88, 4.63, 5, 7 and 28 d after beginning of fertigation cycles. 357 

Molal concentrations of all solution master species, except for oxygen, hydrogen and 358 

carbon, are displayed in Fig. 8. In the model phosphorus (P) is not involved in any kinetic 359 

reactions or adsorption/desorption processes (since it does not adsorb to negatively 360 

charged sorption sites) and therefore can be used as a reference for conservative solute 361 

transport. By comparison to phosphorus and from concentrations of O(0) in Fig. 9 it is 362 

evident that the kinetic transformation of ammonium to nitrate is limited by the available 363 

O(0). Urea is clearly affected by hydrolysis with decreasing concentrations after fertigation 364 

periods and increasing concentrations of ammonia (Amm). Potassium (K) is strongly 365 

Page 16: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

16 

retarded compared to phosphorus, with equal inflowing and initial concentrations due to 366 

exchange with adsorbed protons and ammonia. 367 

Fig. 9. Moisture contents, pH and exchanger composition 3.88, 4.63, 5, 7 and 28 d after beginning of fertigation cycles. 368 

The exchanger composition, pH and molal concentrations of O(0) are presented in Fig. 9. 369 

The soil’s low initial pH originates from respiratory CO2. The decreasing pH behind the solute 370 

front can be attributed to (i) oxidation of ammonium and (ii) the replacement of protons 371 

from the surface exchange sites by ammonia and potassium. The latter can be interpreted 372 

as a proton “snow plough” (Barry et al., 1983). 373 

Low pH values due to nitrification and proton exchange may result in significant dissolution 374 

of soil matrix minerals (e.g., calcite), which may act as pH buffers and release cations that 375 

compete for adsorption sites and thereby reduce the adsorption efficiency of fertilizer ions. 376 

Kinetic or equilibrium mineral reactions can be easily included in the simulation. However, 377 

this was not taken into account in the given example because of the unknown mineral 378 

composition of the substrate. Kinetic oxidation of ammonium to nitrate leads to a local 379 

depletion in O(0) concentrations that inhibits further nitrification according to Eq. (15). Due 380 

to the absence of other cations, the initial exchanger is entirely filled with H+. This situation 381 

is unlikely to be valid in the field, but allows for more straightforward interpretation of this 382 

illustration. A more realistic exchanger initialization requires measured exchanger 383 

compositions or knowledge about the trace elements in the initial soil solution. Even though 384 

the exchanger has a slightly larger affinity for potassium, ammonium dominates the 385 

exchanger composition in the exterior of the solute ring that forms around the irrigation 386 

pipe. This is due to the elevated concentration of ammonium from urea hydrolysis and 387 

retardation of potassium, which shifts the concentration ratio towards ammonium. In 388 

addition, the low pH values in this region favour the formation of ammonium as opposed to 389 

non‐adsorbing ammonia. Potassium is mainly adsorbed close to the irrigation pipe, where 390 

ammonium concentrations are low. The region at x = 0.6 m, y = 0 m remains extremely dry 391 

(cf. Fig. 7). Therefore, it is effectively inert towards changes in geochemical conditions (e.g., 392 

pH, O(0) content). 393 

Results of the present simulation and those of Hanson et al. (2006) show roughly similar 394 

patterns for nitrate and urea. However, in our simulations nitrate concentrations at 7 and 28 395 

Page 17: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

17 

d are considerably lower in the direct vicinity of the supply tube, where it shows the highest 396 

concentrations in Hanson et al. (2006). The lower concentration in our simulations is 397 

expected considering the irrigation/fertigation scheme where the fertilizer is flushed into 398 

the soil with pure water following its application.  399 

6 Concluding remarks 400 

The application example in section 4 verifies the coupling of unsaturated flow and 401 

multispecies solute transport in COMSOL with the geochemical modelling framework 402 

IPhreeqc. Minor differences to the global implicit solution are introduced through operator 403 

splitting and can be controlled by the magnitude of the splitting time step Δ . Furthermore, 404 

it was shown that the constraint of positive concentrations in IPhreeqc in combination with 405 

negative concentrations from COMSOL’s solute transport scheme does not lead to 406 

significant mass balance errors. 407 

Section 5 shows the enhanced geochemical capabilities resulting from the coupling between 408 

COMSOL and IPhreeqc in a complex simulation of unsaturated flow and solute transport. 409 

The successful replication of the moisture content distribution from Hanson et al. (2006) 410 

illustrates the capabilities of COMSOL’s Earth Science Module to simulate unsaturated flow 411 

processes. Further, the implementation of pressure‐ and root distribution‐dependent root‐412 

water uptake demonstrates the convenience of COMSOL to extend predefined vadose zone 413 

processes through user‐defined Matlab functions.  414 

Due to the capabilities of COMSOL to simulate a wide variety of environmental flow 415 

phenomena (e.g., two‐phase flow, fracture flow, flow according to the Darcy, Brinkman or 416 

incompressible Navier‐Stokes equations), the presented coupling procedure can be utilized 417 

as a general guide for linking flow and transport calculations in COMSOL to geochemical 418 

reactions in IPhreeqc. 419 

Acknowledgments 420 

The authors wish to thank David Parkhurst and Tony Appelo for their assistance with the 421 

coupling procedure and the prompt implementation of the required features into PHREEQC. 422 

Page 18: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

18 

This research was supported by Alcoa World Alumina Australia. 423 

References 424 

Appelo, C.A.J., Postma, D., 2005. Geochemistry, Groundwater and Pollution, 2nd ed. 425 Balkema, Leiden, Netherlands, 649 pp. 426 

Barry, D.A., 1992. Modelling contaminant transport in the subsurface: Theory and computer 427 programs, In: Ghadiri, H., Rose, C.W. (Eds.), Modelling Chemical Transport in Soil: 428 Natural and Applied Contaminants. Lewis Publishers: Boca Raton, Florida, pp. 105‐429 144. 430 

Barry, D.A., Bajracharya, K., Crapper, M., Prommer, H., Cunningham, C.J., 2000. Comparison 431 of split‐operator methods for solving coupled chemical non‐equilibrium 432 reaction/groundwater transport models. Mathematics and Computers in Simulation 433 53(1‐2) 113‐127. 434 

Barry, D.A., Miller, C.T., Culligan‐Hensley, P.J., 1996. Temporal discretisation errors in non‐435 iterative split‐operator approaches to solving chemical reaction groundwater 436 transport models. Journal of Contaminant Hydrology 22(1‐2) 1‐17. 437 

Barry, D.A., Miller, C.T., Culligan, P.J., Bajracharya, K., 1997. Analysis of split operator 438 methods for nonlinear and multispecies groundwater chemical transport models. 439 Mathematics and Computers in Simulation 43(3‐6) 331‐341. 440 

Barry, D.A., Starr, J.L., Parlange, J.Y., Braddock, R.D., 1983. Numerical analysis of the snow‐441 plow effect. Soil Science Society of America Journal 47(5) 862‐868. 442 

Bear, J., 1972. Dynamics of Fluids in Porous Media. Elsevier Scientific Publishing Co, New 443 York, 764 pp. 444 

Bear, J., 2007. Hydraulics of Groundwater, Reprint ed. Dover Publications, Mineola, NY, 569 445 pp. 446 

Bear, J., Bachmat, Y., 1998. Introduction to Modeling of Transport Phenomena in Porous 447 Media, Reprinted ed. Kluwer, Dordrecht, 553 pp. 448 

Brook, G.A., Folkoff, M.E., Box, E.O., 1983. A world model of soil carbon‐dioxide. Earth 449 Surface Processes and Landforms 8(1) 79‐88. 450 

Brooks, R.H., Corey, A.T., 1964. Hydraulic properties of porous media, Hydrological Paper. 451 Civil Engineering Department, Colorado State University: Fort Collins, Colorado. 452 

Brussaard, L., Pulleman, M.M., Ouédraogo, É., Mando, A., Six, J., 2007. Soil fauna and soil 453 function in the fabric of the food web. Pedobiologia 50(6) 447‐462. 454 

Charlton, S.R., Parkhurst, D.L., 2010. Modules based on the geochemical model PHREEQC for 455 use in scripting languages and reactive‐transport calculations. Environmental 456 Modelling & Software, under review. 457 

COMSOL Multiphysics®, 2008a. Pesticide transport and reaction in soil, Earth Science 458 Module Model Library. 459 

COMSOL Multiphysics®, 2008b. Variably saturated flow and transport: Sorbing solute, Earth 460 Science Module Model Library. 461 

COMSOL Multiphysics®, 2010. http://www.comsol.com/, last accessed: 22.06.2010. 462 Corey, A.T., Auvermann, B.W., 2003. Transport by advection and diffusion revisited. Vadose 463 

Zone Journal 2(4) 655‐663. 464 Donea, J., Huerta, A., 2004. Finite Element Methods for Flow Problems. Wiley, England, 350 465 

pp. 466 

Page 19: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

19 

Dzombak, D.A., Morel, F.M.M., 1990. Surface Complexation Modeling : Hydrous Ferric 467 Oxide. Wiley, New York, 393 pp. 468 

Feddes, R.A., Kowalik, P.J., Zaradny, H., 1978. Simulation of Field Water Use and Crop Yield. 469 Pudoc, Wageningen. 470 

Freedman, V., Ibaraki, M., 2002. Effects of chemical reactions on density‐dependent fluid 471 flow: on the numerical formulation and the development of instabilities. Advances in 472 Water Resources 25(4) 439‐453. 473 

Gärdenäs, A.I., Hopmans, J.W., Hanson, B.R., Šimůnek, J., 2005. Two‐dimensional modeling 474 of nitrate leaching for various fertigation scenarios under micro‐irrigation. 475 Agricultural Water Management 74(3) 219‐242. 476 

Gustafsson, J.P., 2010. Visual MINTEQ version 3.0, 477 http://www.lwr.kth.se/English/OurSoftware/vminteq/, last accessed: 22.06.2010. 478 

Hanson, B.R., Šimůnek, J., Hopmans, J.W., 2006. Evaluation of urea‐ammonium‐nitrate 479 fertigation with drip irrigation using numerical modeling. Agricultural Water 480 Management 86(1‐2) 102‐113. 481 

Harbaugh, A.W., Banta, E.R., Hill, M.C., McDonald, M.G., 2000. MODFLOW‐2000, the U.S. 482 Geological Survey modular ground‐water model: User guide to modularization 483 concepts and the ground‐water flow process. U.S. Geological Survey. 484 

Hedrich, R., Schroeder, J.I., 1989. The physiology of ion channels and electrogenic pumps in 485 higher‐plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 40 486 539‐569. 487 

Hiemstra, T., van Riemsdijk, W.H., Bolt, G.H., 1989. Multisite proton adsorption modeling at 488 the solid‐solution interface of (hydr)oxides ‐ A new approach. 1. Model description 489 and evaluation of intrinsic reaction constants. Journal of Colloid and Interface 490 Science 133(1) 91‐104. 491 

Huyakorn, P.S., Pinder, G.F., 1983. Computational Methods in Subsurface Flow. Academic 492 Press, London, UK, 473 pp. 493 

Jacques, D., Šimůnek, J., 2010. Notes on HP1 ‐ a software package for simulating variably‐494 saturated water flow, heat transport, solute transport and biogeochemistry in 495 porous media Waste and Disposal, SCK•CEN: Mol, Belgium. 496 

Jacques, D., Šimůnek, J., Mallants, D., van Genuchten, M.T., 2006. Operator‐splitting errors 497 in coupled reactive transport codes for transient variably saturated flow and 498 contaminant transport in layered soil profiles. Journal of Contaminant Hydrology 499 88(3‐4) 197‐218. 500 

Jacques, D., Šimůnek, J., Mallants, D., van Genuchten, M.T., 2008. Modeling coupled 501 hydrologic and chemical processes: Long‐term uranium transport following 502 phosphorus fertilization. Vadose Zone Journal 7(2) 698‐711. 503 

Langmuir, D., 1997. Aqueous Environmental Geochemistry. Prentice Hall, Upper Saddle 504 River, 600 pp. 505 

Letey, J., Kemper, W.D., Noonan, L., 1969. Effect of osmotic pressure gradients on water 506 movement in unsaturated soil. Soil Science Society of America Proceedings 33(1) 15‐507 18. 508 

Mao, X., Prommer, H., Barry, D.A., Langevin, C.D., Panteleit, B., Li, L., 2006. Three‐509 dimensional model for multi‐component reactive transport with variable density 510 groundwater flow. Environmental Modelling & Software 21(5) 615‐628. 511 

Matlab®, 2010. The MathWorks, http://www.mathworks.com/, last accessed: 22.06.2010. 512 

Page 20: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

20 

Mayer, K.U., Frind, E.O., Blowes, D.W., 2002. Multicomponent reactive transport modeling 513 in variably saturated porous media using a generalized formulation for kinetically 514 controlled reactions. Water Resources Research 38(9) 131‐1321. 515 

Meeussen, J.C.L., 2003. ORCHESTRA: An object‐oriented framework for implementing 516 chemical equilibrium models. Environmental Science & Technology 37(6) 1175‐1182. 517 

Miller, C.T., Christakos, G., Imhoff, P.T., McBride, J.F., Pedit, J.A., Trangenstein, J.A., 1998. 518 Multiphase flow and transport modeling in heterogeneous porous media: Challenges 519 and approaches. Advances in Water Resources 21(2) 77‐120. 520 

Millington, R.J., Quirk, J.P., 1961. Permeability of porous solids. Transactions of the Faraday 521 Society 57 1200‐1207. 522 

Parkhurst, D.L., 2010. Personal Communication. 523 Parkhurst, D.L., Appelo, C.A.J., 1999. User's guide to PHREEQC (version 2): A computer 524 

program for speciation, batch‐reaction, one‐dimensional transport, and inverse 525 geochemical calculations. U.S. Geological Survey: Denver, Colorado. 526 

Parkhurst, D.L., Kipp, K.L., Engesgaard, P., Charlton, S.R., 2004. PHAST ‐ A Program for 527 simulating ground‐water flow, solute transport, and multicomponent geochemical 528 reactions. U.S. Geological Survey: Denver, Colorado. 529 

Perrochet, P., Berod, D., 1993. Stability of the standard Crank‐Nicolson‐Galerkin scheme 530 applied to the diffusion‐convection equation ‐ Some new insights. Water Resources 531 Research 29(9) 3291‐3297. 532 

Prommer, H., Barry, D.A., Zheng, C., 2003. MODFLOW/MT3DMS‐based reactive 533 multicomponent transport modeling. Ground Water 41(2) 247‐257. 534 

Prommer, H., Davis, G.B., Barry, D.A., 1999. PHT3D ‐ A three‐dimensional biogeochemical 535 transport model for modelling natural and enhanced remediation, In: Johnston, C.D. 536 (Ed.), Contaminated Site Remediation: Challenges Posed by Urban and Industrial 537 Contaminants. Centre for Groundwater Studies: Fremantle, Western Australia, pp. 538 351‐358. 539 

Saaltink, M.W., Batlle, F., Ayora, C., Carrera, J., Olivella, S., 2004. RETRASO, a code for 540 modeling reactive transport in saturated and unsaturated porous media. Geologica 541 Acta 2(3) 235‐251. 542 

Šimůnek, J., Bradford, S.A., 2008. Vadose zone modeling: Introduction and importance. 543 Vadose Zone Journal 7(2) 581‐586. 544 

Šimůnek, J., Hopmans, J.W., 2009. Modeling compensated root water and nutrient uptake. 545 Ecological Modelling 220(4) 505‐521. 546 

Šimůnek, J., Jacques, D., van Genuchten, M.T., Mallants, D., 2006. Multicomponent 547 geochemical transport modeling using HYDRUS‐1D and HP1. Journal of the American 548 Water Resources Association 42(6) 1537‐1547. 549 

Šimůnek, J., Šejna, M., Saito, H., Sakai, M., van Genuchten, M.T., 2009. The HYDRUS‐1D 550 software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes 551 in variably saturated media, Version 4.0. Department of Environmental Sciences, 552 University of California Riverside: Riverside, California. 553 

Šimůnek, J., Šejna, M., van Genuchten, M.T., 1999. The HYDRUS‐2D software package for 554 simulating the two‐dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in 555 variably‐saturated media, Version 2.0. Department of Environmental Sciences, 556 University of California Riverside: Riverside, California. 557 

Page 21: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

21 

Šimůnek, J., Vogel, T., van Genuchten, M.T., 1994. The SWMS‐2D code for simulating water 558 flow and solute transport in two‐dimensional variably saturated media, Version 1.21. 559 U.S. Salinity Laboratory: Riverside, CA. 560 

Steefel, C.I., MacQuarrie, K.T.B., 1996. Approaches to modeling of reactive transport in 561 porous media, In: Lichtner, P.C., Steefel, C.I., Oelkers, E.H. (Eds.), Reactive Transport 562 in Porous Media. Reviews in Mineralogy, 34. Mineralogical Society of America: 563 Washington DC, pp. 82‐129. 564 

Valocchi, A.J., Malmstead, M., 1992. Accuracy of operator splitting for advection‐dispersion‐565 reaction problems. Water Resources Research 28(5) 1471‐1476. 566 

van der Lee, J., 1998. Thermodynamic and mathematical concepts of CHESS. Ecole des 567 Mines de Paris: Fontainebleau, France. 568 

van Genuchten, M.T., 1980. Closed‐form equation for predicting the hydraulic conductivity 569 of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44(5) 892‐898. 570 

Voss, C.I., Provost, A.M., 2008. SUTRA: A model for saturated‐unsaturated, variable‐density 571 ground‐water flow with solute or energy transport. U.S. Geological Survey: Reston, 572 Virginia. 573 

Vrugt, J.A., Hopmans, J.W., Šimůnek, J., 2001. Calibration of a two‐dimensional root water 574 uptake model. Soil Science Society of America Journal 65(4) 1027‐1037. 575 

Wissmeier, L., Barry, D.A., 2010. Implementation of variably saturated flow into PHREEQC 576 for the simulation of biogeochemical reactions in the vadose zone. Environmental 577 Modelling & Software 25(4) 526‐538. 578 

Wissmeier, L., Brovelli, A., Robinson, C., Stagnitti, F., Barry, D.A., 2009. Pollutant fate and 579 transport in the subsurface, Modelling of Pollutants in Complex Environmental 580 Systems. ILM Publications, pp. 99‐143. 581 

Yeh, G.T., Tripathi, V.S., 1989. A critical evaluation of recent developments in 582 hydrogeochemical transport models of reactive multi‐chemical components. Water 583 Resources Research 25(1) 93‐108. 584 

Yukselen, Y., Kaya, A., 2006. Prediction of cation exchange capacity from soil index 585 properties. Clay Minerals 41(4) 827‐837. 586 

 587 

 588 

Page 22: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

Table 

Table 1 

Geochemical solution properties. Master species concentrations in mol(kg water)‐1, 

truncated to 2 digits. 

  Fertilizer solution  Irrigation water Initial soil solution

pH  3.844  5.659  4.660 pe  16.78  14.96  15.96 O  56.12  55.51  55.51H  111.34  111.01  111.02 P  0.15  0.00  0.00 K  0.15  0.00  0.00Amm  3.62 × 10‐2  0.00  0.00 Urea  7.25 × 10‐2  0.00  0.00N  3.62 × 10‐2  0.00  0.00 C  1.04 × 10‐5  1.30 × 10‐5 1.10 × 10‐3

   

Page 23: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

Figure Captions 

Fig. 1. Program flow and structure. 

Fig. 2. Simulation domain with finite element mesh for pesticide simulation. The source zone 

is indicated by the thick line at y = 0. 

Fig. 3. Aldicarb reaction chain. 

Fig. 4. Comparison of concentrations from the coupling procedure and COMSOL alone eight 

d after beginning of infiltration. 

Fig. 5. Simulation domain with finite element mesh for drip irrigation simulation. 

Fig. 6. Normalized root distribution according to the Vrugt model (Vrugt et al., 2001) with 

parameters from Hanson et al. (2006). 

Fig. 7. Moisture contents at 0 and 1.15 d, i.e., the beginning and end of the first irrigation 

period; white contours: lines of equal water contents. 

Fig. 8. Solution master species concentrations 3.88, 4.63, 5, 7 and 28 d after beginning of 

fertigation cycles. 

Fig. 9. Moisture contents, pH and exchanger composition 3.88, 4.63, 5, 7 and 28 d after 

beginning of fertigation cycles. 

Page 24: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

comsol2phreeqc.m

phreeqc2comsol.m

Split Operator Time Step Δt 

Master Species ConcentrationsMass of Water 

ReactionsIntra‐Phase Speciation Inter‐Phase Speciation 

Kinetic Reactions

IPhreeqc (COM version) 

coupling_COMSOL_PHREEQC.m

Flow VelocitiesMoisture Content 

Aqueous Phase Flow

Master Species ConcentrationsMoisture Content 

Solute Transport

COMSOL 

Domain GeometryDomain Discretisation (Meshing) Flow and Transport Properties Boundary and Initial Conditions PHRREQC Reaction Properties 

Post‐processing

Matlab 

Page 25: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Page 26: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Aldicarb 

Aldicarb sulfoxide 

Aldicarb sulfone

Aldicarb oxime

Aldicarb sulfoxide oxime

Aldicarb sulfone oxime

k1 = 0.2 d‐1 

k2 = 0.36 d‐1 

k4 = 0.024 d‐1 

k5 = 0.0524 d‐1

k3 = 0.01 d‐1

Page 27: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Page 28: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Page 29: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 x (m)

y (m

)

0 0.2 0.4 0.6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0

1

2

3

4

5

6

Page 30: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Page 31: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic

 

Page 32: Tool Variably Saturated Flow Comprehensive … Barry... · 22 with comprehensive geochemical reactions. ... 29 COMSOL Multiphysics® including ... 31 Price for single user academic